医用超高分子量聚乙烯1
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医用超高分子量聚乙烯
骨研中心 材料组— 田娜
周三部门学习
1
高分子化合物（ 大分子，高聚物，Macromolecules, Polymer ）指由许多相同的、简单的结构单元通过共价键重复连接而成 的化合物。常用的高分子的分子量一般高达几万、几十万，甚 至上百万，范围在104～106
Hermann Staudinger(1881-1965)Nobel prize 1953
8
正天所用超高分子量聚乙烯检测报告
9
UHMWPE型材的制造商和成型方法
型材制造商
Orthoplastics （工厂在England） MediTECH （工厂在USA 和 Gemany） Orthoplastics （工厂在England） MediTECH （工厂在USA ） Westlake Plastics （USA）
➢ a natural product whose decomposition products have already been tested for biocompatibility with positive results。
21
残留自由基的氧化降解
不稳定，发生分解
采用γ射线辐射消毒过程中，射线的辐射会引起UHMWPE降解，形成自由基后交联或 氧化。尽管在80年代就知道辐射消毒后UHMWPE的这一变化，但直到90年代在PE碎屑与 假体周围骨溶解之间建立起确定的关系后，对UHMWPE的氧化问题才开始引起关注。
辐射消毒后，残存的自由基对UHMWPE的机械性能产生了重大的影响。其根本原因是 自由基在有氧环境中发生氧化反应，从而导致材料脆化。在周期性载荷的作用下容易发生 分层，根本上降低了材料的机械性能。
*BIOMET
成型方法 模压成型 （compression molding）
柱塞挤出成型 （ram extrusion）
热静等压成型 （hot isostatic pressing）
直接模压成型假体
正天
10
模压成型设备
柱塞挤出成型
11
Biomet 热静等压成型 （hot isostatic pressing）
第一代高交联聚乙烯
各厂商Post-irradiation melting 热处理聚乙烯
33
第二代高交联聚乙烯
这种方式是先让聚乙烯接受小剂量辐 射（如30KGy）交联之后进行一段时间 的退火, 然后重复进行两次小剂量辐射（ 30KGy）交联和退火处理，也就是说这 个过程中总共重复进行三次小剂量辐射 交联和退火处理，即接受辐射的总剂量 为90KGy。重复进行小剂量辐射交联的 目的为有效减少每次自由基残存量以便 接下来的退火处理在有效减少自由基的 基础上不会过多的牺牲其机械性能。
gur10203510正天所用超高分子量聚乙烯检测报告10型材制造商成型方法orthoplastics工厂在englandmeditech工厂在usa和gemany模压成型compressionmoldingorthoplastics工厂在englandmeditech工厂在usawestlakeplasticsusa柱塞挤出成型ramextrusionbiomet热静等压成型hotisostaticpressing直接模压成型假体uhmwpe型材的制造商和成型方法11模压成型设备柱塞挤出成型12biomet热静等压成型hotisostaticpressinguhmwpe在人工关节中的应用现代人工关节之父charnley在1962年首次将高分子量聚乙烯材料引入人工关节他将金属股骨头与高分子聚乙烯髋臼相配伍以聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥固定从而创建了具有划时代意义的低摩擦人工关节置换术lowfrictionarthroplastylfa
辐射交联的弊端：残留自由基的氧化问题。这些残留的自由基极易在有氧环境 中发生氧化，从而导致材料脆化，在周期性载荷的作用下材料表面容易发生疲 劳破坏。
解决方案与弊端
对交联后的材料进行热处理
解决辐射交联所产生的自由基残留问题
有两种热处理方式： 1. Post-irradiation melting 是最有效的热处理方法，是将材料加热超过其熔点，使 UHMWPE的结晶区域熔融，释放出其中积聚的自由基。之后再使材料冷却，重新结晶 并形成交联。 Post-irradiation melting 弊端：重结晶会降低UHMWPE的结晶度从而降低材料的机 械性能和疲劳强度。 2. Annealed （退火）：仅将材料加热到退火温度，使其处于半熔状态。其结果是由于 加热反应，UHMWPE的结晶度有所提高，但是只能释放部分自由基，依然无法消除剩 余自由基在体内导致的氧化降解反应。
Sir John Charnley
Charnley型低摩擦全髋关节人工假体
UHMWPE在骨科中的应用
14
UHMWPE在全髋关节置换中的临床应用效果
2008 年瑞典髋关节置换年度报告
15
UHMWPE在全膝关节置换中的临床应用效果
16
Researchers have estimated that for each day of patient activity, around 100 million（109） microscopic UHMWPE wear particles are released into the tissues surrounding the hipjoint . This particulate wear debris can initiate a cascade of adverse tissue response leading to osteolysis (bone death) and ultimately aseptic loosening of the components .
23
即使在乏氧环境中进行辐射消毒，仍有不能避免晶相中残存自由基的存 在和UHMWPE部件在体内的氧化降解 为了尽量降低UHMWPE假体部件在所为的货架时间内的氧化降解现象， 各大厂商所采用的包装措施
24
25
环氧乙烷（ETO）消毒方式
Smith & Nephew, Inc. (Memphis, Tennessee, USA) and Wright Medical Technology, Inc. (Arlington, Tennessee, USA) have employed ethylene oxide since the 1990s . More recently, however, Zimmer, Inc. (Warsaw, Indiana, USA) chose ethylene oxide for sterilization of their highly crosslinked UHMWPE (Durasul) hip and knee products
7
ASTM F 648 对医用UHMWPE 粉末的规定
国际ISO标准（ISO,11542）关于医用超高分子量聚乙烯的定义为重均分子量至少为106g/mol, 最小聚合度n 为 36,000的聚乙烯, 而ASTM标准则定义医用UHMWPE的重均分子量至少为3.1×106g/mol, 最小聚合度为110,000 。 而 关 节 置 换 假 体 常 用 UHMWPE 的 重 均 分 子 量 在 2- 6×106g/mol 之 间 ， 聚 合 度 在 71,000-214,000 之 间 。 GUR1020（3.5×106g/mol）和GUR1050（5.5-6×106g/mol）
6
现有医用UHMWPE 原料粉末生产商及分子量
巴塞尔化工（Basell ）已经破产，2002年后，1900 H 树脂停产。目前医用UHMWPE粉末 原料的主要 生产商是 Ticona (塞拉尼斯旗下的工程塑料单元)。GUR是商品名，三个字母 分别代表 Granular, UHMWPE, Ruhrchemie (鲁尔化工)。故现在医用超高分子量棒材可 以分为两类GUR 1050 , GUR 1020
12
UHMWPE在人工关节中的应用
现代人工关节之父charnley 在1962年首次将高分子量聚乙烯材料引入人工关节，他将金属股骨头与高分子 聚乙烯髋臼相配伍，以聚甲基丙烯酸甲酯（骨水泥）固定，从而创建了具有划时代意义的低摩擦人工关节 置换术（low friction arthroplasty, LFA)。
Strike公司推出的X3是目前市场上采 用这种方式唯一商业化的材料产品。Fra bibliotek3435
思考
有没有一种方法来替代Post-irradiation melting ，在消除辐射交联残存自由基的同时， 而不降低材料的机械性能和抗疲劳性能？
36
有研究提出： 能不能引入一种抗氧化剂，用它来替代 Post-irradiation melting ，稳定辐射交联后残留的自由基，而不降低材料的机 械性能和抗疲劳性能？ 选择何种抗氧剂？
辐射交联的主要作用是通过侧向共价键的形成， 使UHMWPE分子排列更加多向，降低材料的 延展性，从而减少磨损的发生，减少磨损碎屑 的形成。
应用
从1998年FDA批准第一个高交联UHMWPE产品用于临床 开始，到现在高交联UHMWPE已作为最有希望的减少PE磨 损及其后续骨溶解的措施，获得了临床的广泛应用。
27
普通医用UHMWPE假体部件在使用中存在的问题
➢ UHMWPE部件的磨损（wear）和疲劳破坏（fatigue damage） ➢ UHMWPE部件的γ射线辐射消毒产生的残留自由基氧化问题
耐磨损解决方案
解决方案
对UHMWPE进行辐射交联（radiation cross-linking）和热处理
存在的问题： 1. 如果假体部件太厚，有可能存在消毒不完全问题 2. ETO 残留问题
26
低温等离子气体消毒方式
Two examples of commercially-available gas plasma sterilization methods that have been evaluated for compatibility with UHMWPE include Plazlyte (Abtox, Inc., Mundelein, Illinois, USA), which, involves low-temperature peracetic acid gas plasma （ 过 氧 乙 酸 ） and Sterrad (Advanced Sterilization Products, Irvine, California, USA), which uses low-temperature hydrogen peroxide （过氧化氢） gas plasma. Gas plasma (Plazlyte system) has been used by DePuy Orthopaedics, Inc., (Warsaw, In diana, USA) since the 1990s to routinely sterilize UHMWPE components [4] ( Figure 3.9 ). Zimmer, Inc., (Warsaw, Indiana, USA) and Stryker (Mahwah, New Jersey, USA) currently employ gas plasma for sterilization of highly crosslinked UHMWPE components (e.g., Longevity, Prolong, X3).
UHMWPE中添加 维生素E的研究
37
选择维生素E作为抗氧剂的原因
➢ a very efficient stabilizer against oxidation of polyethylene
➢ lipophilic owing to its phtyl tail, easily blending with UHMWPE
Bozic K , Kurtz SM. Trans of the 54th Orthop Res Soc 2008 ;
17
UHMWPE磨损碎屑造成的骨溶解现象解释
18
19
UHMWPE假体的消毒方式
问题：这么多消毒方式和包装材料的演变为哪般？？
20
空气中射线辐射消毒和包装
这种消毒方式所带来的问题
因此，在1995年以前，UHMWPE产品的标准消毒方式是在有氧环境中进行25-40KGY 的γ辐射。而到了上世纪九十年代中期以后，UHMWPE成品的消毒变成了在乏氧环境中的 辐射，或完全抛弃辐射改用环氧乙烷（ETO）等方法。另外也强调尽可能缩短产品消毒至 植入患者体内的所谓“货架上时间”。因为如果在有氧环境中行辐射消毒，货架上时间越 长UHMWPE中自由基的 氧化也会越剧烈
高分子概念的提出者
2
3
生活中无处不在的聚乙烯（Polyethylene, PE）
4
PE 种类 低密度聚乙烯 LDPE 高密度聚乙烯 HDPE 线性低密度聚乙烯 LLDPE 超高分子量聚乙烯（UHMWPE, ultra-high molecular weight polyethylene）
5
UHMWPE假体从原料到产品的生产过程
骨研中心 材料组— 田娜
周三部门学习
1
高分子化合物（ 大分子，高聚物，Macromolecules, Polymer ）指由许多相同的、简单的结构单元通过共价键重复连接而成 的化合物。常用的高分子的分子量一般高达几万、几十万，甚 至上百万，范围在104～106
Hermann Staudinger(1881-1965)Nobel prize 1953
8
正天所用超高分子量聚乙烯检测报告
9
UHMWPE型材的制造商和成型方法
型材制造商
Orthoplastics （工厂在England） MediTECH （工厂在USA 和 Gemany） Orthoplastics （工厂在England） MediTECH （工厂在USA ） Westlake Plastics （USA）
➢ a natural product whose decomposition products have already been tested for biocompatibility with positive results。
21
残留自由基的氧化降解
不稳定，发生分解
采用γ射线辐射消毒过程中，射线的辐射会引起UHMWPE降解，形成自由基后交联或 氧化。尽管在80年代就知道辐射消毒后UHMWPE的这一变化，但直到90年代在PE碎屑与 假体周围骨溶解之间建立起确定的关系后，对UHMWPE的氧化问题才开始引起关注。
辐射消毒后，残存的自由基对UHMWPE的机械性能产生了重大的影响。其根本原因是 自由基在有氧环境中发生氧化反应，从而导致材料脆化。在周期性载荷的作用下容易发生 分层，根本上降低了材料的机械性能。
*BIOMET
成型方法 模压成型 （compression molding）
柱塞挤出成型 （ram extrusion）
热静等压成型 （hot isostatic pressing）
直接模压成型假体
正天
10
模压成型设备
柱塞挤出成型
11
Biomet 热静等压成型 （hot isostatic pressing）
第一代高交联聚乙烯
各厂商Post-irradiation melting 热处理聚乙烯
33
第二代高交联聚乙烯
这种方式是先让聚乙烯接受小剂量辐 射（如30KGy）交联之后进行一段时间 的退火, 然后重复进行两次小剂量辐射（ 30KGy）交联和退火处理，也就是说这 个过程中总共重复进行三次小剂量辐射 交联和退火处理，即接受辐射的总剂量 为90KGy。重复进行小剂量辐射交联的 目的为有效减少每次自由基残存量以便 接下来的退火处理在有效减少自由基的 基础上不会过多的牺牲其机械性能。
gur10203510正天所用超高分子量聚乙烯检测报告10型材制造商成型方法orthoplastics工厂在englandmeditech工厂在usa和gemany模压成型compressionmoldingorthoplastics工厂在englandmeditech工厂在usawestlakeplasticsusa柱塞挤出成型ramextrusionbiomet热静等压成型hotisostaticpressing直接模压成型假体uhmwpe型材的制造商和成型方法11模压成型设备柱塞挤出成型12biomet热静等压成型hotisostaticpressinguhmwpe在人工关节中的应用现代人工关节之父charnley在1962年首次将高分子量聚乙烯材料引入人工关节他将金属股骨头与高分子聚乙烯髋臼相配伍以聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥固定从而创建了具有划时代意义的低摩擦人工关节置换术lowfrictionarthroplastylfa
辐射交联的弊端：残留自由基的氧化问题。这些残留的自由基极易在有氧环境 中发生氧化，从而导致材料脆化，在周期性载荷的作用下材料表面容易发生疲 劳破坏。
解决方案与弊端
对交联后的材料进行热处理
解决辐射交联所产生的自由基残留问题
有两种热处理方式： 1. Post-irradiation melting 是最有效的热处理方法，是将材料加热超过其熔点，使 UHMWPE的结晶区域熔融，释放出其中积聚的自由基。之后再使材料冷却，重新结晶 并形成交联。 Post-irradiation melting 弊端：重结晶会降低UHMWPE的结晶度从而降低材料的机 械性能和疲劳强度。 2. Annealed （退火）：仅将材料加热到退火温度，使其处于半熔状态。其结果是由于 加热反应，UHMWPE的结晶度有所提高，但是只能释放部分自由基，依然无法消除剩 余自由基在体内导致的氧化降解反应。
Sir John Charnley
Charnley型低摩擦全髋关节人工假体
UHMWPE在骨科中的应用
14
UHMWPE在全髋关节置换中的临床应用效果
2008 年瑞典髋关节置换年度报告
15
UHMWPE在全膝关节置换中的临床应用效果
16
Researchers have estimated that for each day of patient activity, around 100 million（109） microscopic UHMWPE wear particles are released into the tissues surrounding the hipjoint . This particulate wear debris can initiate a cascade of adverse tissue response leading to osteolysis (bone death) and ultimately aseptic loosening of the components .
23
即使在乏氧环境中进行辐射消毒，仍有不能避免晶相中残存自由基的存 在和UHMWPE部件在体内的氧化降解 为了尽量降低UHMWPE假体部件在所为的货架时间内的氧化降解现象， 各大厂商所采用的包装措施
24
25
环氧乙烷（ETO）消毒方式
Smith & Nephew, Inc. (Memphis, Tennessee, USA) and Wright Medical Technology, Inc. (Arlington, Tennessee, USA) have employed ethylene oxide since the 1990s . More recently, however, Zimmer, Inc. (Warsaw, Indiana, USA) chose ethylene oxide for sterilization of their highly crosslinked UHMWPE (Durasul) hip and knee products
7
ASTM F 648 对医用UHMWPE 粉末的规定
国际ISO标准（ISO,11542）关于医用超高分子量聚乙烯的定义为重均分子量至少为106g/mol, 最小聚合度n 为 36,000的聚乙烯, 而ASTM标准则定义医用UHMWPE的重均分子量至少为3.1×106g/mol, 最小聚合度为110,000 。 而 关 节 置 换 假 体 常 用 UHMWPE 的 重 均 分 子 量 在 2- 6×106g/mol 之 间 ， 聚 合 度 在 71,000-214,000 之 间 。 GUR1020（3.5×106g/mol）和GUR1050（5.5-6×106g/mol）
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现有医用UHMWPE 原料粉末生产商及分子量
巴塞尔化工（Basell ）已经破产，2002年后，1900 H 树脂停产。目前医用UHMWPE粉末 原料的主要 生产商是 Ticona (塞拉尼斯旗下的工程塑料单元)。GUR是商品名，三个字母 分别代表 Granular, UHMWPE, Ruhrchemie (鲁尔化工)。故现在医用超高分子量棒材可 以分为两类GUR 1050 , GUR 1020
12
UHMWPE在人工关节中的应用
现代人工关节之父charnley 在1962年首次将高分子量聚乙烯材料引入人工关节，他将金属股骨头与高分子 聚乙烯髋臼相配伍，以聚甲基丙烯酸甲酯（骨水泥）固定，从而创建了具有划时代意义的低摩擦人工关节 置换术（low friction arthroplasty, LFA)。
Strike公司推出的X3是目前市场上采 用这种方式唯一商业化的材料产品。Fra bibliotek3435
思考
有没有一种方法来替代Post-irradiation melting ，在消除辐射交联残存自由基的同时， 而不降低材料的机械性能和抗疲劳性能？
36
有研究提出： 能不能引入一种抗氧化剂，用它来替代 Post-irradiation melting ，稳定辐射交联后残留的自由基，而不降低材料的机 械性能和抗疲劳性能？ 选择何种抗氧剂？
辐射交联的主要作用是通过侧向共价键的形成， 使UHMWPE分子排列更加多向，降低材料的 延展性，从而减少磨损的发生，减少磨损碎屑 的形成。
应用
从1998年FDA批准第一个高交联UHMWPE产品用于临床 开始，到现在高交联UHMWPE已作为最有希望的减少PE磨 损及其后续骨溶解的措施，获得了临床的广泛应用。
27
普通医用UHMWPE假体部件在使用中存在的问题
➢ UHMWPE部件的磨损（wear）和疲劳破坏（fatigue damage） ➢ UHMWPE部件的γ射线辐射消毒产生的残留自由基氧化问题
耐磨损解决方案
解决方案
对UHMWPE进行辐射交联（radiation cross-linking）和热处理
存在的问题： 1. 如果假体部件太厚，有可能存在消毒不完全问题 2. ETO 残留问题
26
低温等离子气体消毒方式
Two examples of commercially-available gas plasma sterilization methods that have been evaluated for compatibility with UHMWPE include Plazlyte (Abtox, Inc., Mundelein, Illinois, USA), which, involves low-temperature peracetic acid gas plasma （ 过 氧 乙 酸 ） and Sterrad (Advanced Sterilization Products, Irvine, California, USA), which uses low-temperature hydrogen peroxide （过氧化氢） gas plasma. Gas plasma (Plazlyte system) has been used by DePuy Orthopaedics, Inc., (Warsaw, In diana, USA) since the 1990s to routinely sterilize UHMWPE components [4] ( Figure 3.9 ). Zimmer, Inc., (Warsaw, Indiana, USA) and Stryker (Mahwah, New Jersey, USA) currently employ gas plasma for sterilization of highly crosslinked UHMWPE components (e.g., Longevity, Prolong, X3).
UHMWPE中添加 维生素E的研究
37
选择维生素E作为抗氧剂的原因
➢ a very efficient stabilizer against oxidation of polyethylene
➢ lipophilic owing to its phtyl tail, easily blending with UHMWPE
Bozic K , Kurtz SM. Trans of the 54th Orthop Res Soc 2008 ;
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UHMWPE磨损碎屑造成的骨溶解现象解释
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UHMWPE假体的消毒方式
问题：这么多消毒方式和包装材料的演变为哪般？？
20
空气中射线辐射消毒和包装
这种消毒方式所带来的问题
因此，在1995年以前，UHMWPE产品的标准消毒方式是在有氧环境中进行25-40KGY 的γ辐射。而到了上世纪九十年代中期以后，UHMWPE成品的消毒变成了在乏氧环境中的 辐射，或完全抛弃辐射改用环氧乙烷（ETO）等方法。另外也强调尽可能缩短产品消毒至 植入患者体内的所谓“货架上时间”。因为如果在有氧环境中行辐射消毒，货架上时间越 长UHMWPE中自由基的 氧化也会越剧烈
高分子概念的提出者
2
3
生活中无处不在的聚乙烯（Polyethylene, PE）
4
PE 种类 低密度聚乙烯 LDPE 高密度聚乙烯 HDPE 线性低密度聚乙烯 LLDPE 超高分子量聚乙烯（UHMWPE, ultra-high molecular weight polyethylene）
5
UHMWPE假体从原料到产品的生产过程